基于模糊数学理论探讨评判地铁工程中地下水风险.pdf

第 卷第 期 年 月 同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版 文章编号 收稿日期 基金项目国家自然科学基金资助项目 同济大学土木工程学院光华团队基金资助项目 第一作者周念清 男 教授 工学博士 博士生导师 主要研究方向为工程地下水数值模拟与水环境评价 基于模糊数学理论探讨评判地铁工程中地下水风险 周念清 魏诚寅 娄荣祥 缪俊发 同济大学 水利工程系 上海 上海广联建设发展有限公司 上海 摘要采用模糊综合评价法 以上海地铁 号线南京东路车 站为例 在全面识别勘察 设计 施工和运营过程中地下水风 险因子的基础上 结合统计资料和专家评价 详细阐述了风 险评估模型的建立及评价过程 得到了不同阶段地下水风险 因子的权重 并对地下水风险进行了综合评判研究结果对 上海地铁工程地下水风险控制具有指导意义 关键词地铁地下水模糊综合评价风险评估风险 控制 中图分类号 文献标识码 近些年来 随着城市轨道交通的快速发展 大中 城市都开始纷纷兴建地铁由于地铁工程投资巨大 施工周期长 技术复杂 不可预见风险因素众多 致 使地铁施工事故频发 其中地下水问题是导致地铁 事故发生的重要因素 特别是地铁车站深基坑和盾 构隧道施工面临的风险尤为突出 风险评价始于 世纪 年代 国内外不少学 者曾对此进行了研究 取得了许多成果有关地铁与 隧道工程风险分析与评价 等在瑞典的斯托克 霍姆环线隧道建设中 提出了一种大型地下工程建 设风险决策分析系统 等结合哥本哈 根地铁工程提出了 多种灾害 种风险类型和 个风险减轻措施 兰守奇等利用模糊综合评判 法对地铁车站深基坑施工进行了风险评估 王岩 等运用层次 模糊综合评判法对地铁隧道进行了安 全评估 徐岩等对沈阳地铁的降水工程专门进行 了风险分析 这些研究成果有不少内容涉及到地下水风险 但没有一个专门针对地下水风险的评估体系本文 以上海地铁 号线南京东路站为例 根据勘察 设 计 施工和运营过程中的地下水问题 建立了地下水 风险因子评估模型 对风险进行综合评价 提出了适 合上海地铁工程的地下水风险评价体系及风险控制 措施 为地铁建设风险防患服务 地下水风险类型及评估方法 地下水风险类型 地铁工程地下水风险是地下水对地铁工程产生 危害的可能性 地铁工程地下水的危害有多种表现 形式 常见的危害主要有以下几种 车站基坑坑底 突涌 承压水水头压力 坑底隆起坑侧渗漏 同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版第 卷 底侧突涌 围护缺陷 水头差造成渗漏 管涌 流 砂 基坑斜坡滑移 坍塌降水诱发地层压缩导 致过量沉降 车站和隧道渗漏 其中 基坑底突涌 管涌 流砂等主要是发生在细颗粒 尤其是粉土 粉 砂等 饱和含水的土层中 风险评估方法 风险评估的方法有很多 每一种方法都有它的 适用范围和不足之处近几年来许多学者对各种经 典的评估方法进行了改进 吸取了各种方法的优点 为了克服传统风险矩阵方法的不精确和不确定性 等在风险矩阵法中引入了模糊逻辑的概 念 等利用数据包络分析进行了失效模式和 后果 分 析 对 传 统 的 风 险 优 先 数 做了改进 等将故障树方法 与状态监测数据结合 使其能够在系统的整个生命 周期内实时更新并且进行维护 而不仅限于设计阶 段 等提出了推广蒙特卡罗模拟法 考虑了 时间 成本等不确定因素之间的联系 地铁工程是一个复杂的体系 具有隐蔽性和不 确定性地铁工程地下水风险因子就更为繁杂多样 如要将各种因素尽量全面概括 又要使整个评估模 型可以有序 有效地运行 就需要通过层次分析法 来将各类风险因 子进行分层分析 确定各因子的权重 使管理者明确 应该在哪方面引起更多的重视同时 针对地铁工程 地下水产生危害的不确定性和模糊性特点 可以利 用模糊数学原理 来得到一个更为接近真实 情况且更为精确的评价因此 这里采用层次 模糊 分析法对地铁车站工程进行地下水风险分析 地下水风险评估模型的建立 基于模糊数学理论建立地铁工程地下水风险评 估模型 模型主要分成三部分 前期准备 模糊综合 评判 风险评价 前期准备 建立风险评估小组 风险评估对专家的要求很高 信息的不完备就 对专家的知识和经验提出了更高的要求评估选择 的专家应该是既具有系统的理论知识 又具有丰富 的相关工程经验 进行风险辨识以及之后的隶属度 确定都是由专家来完成 识别风险来源 风险分析及评价建立在风险因子识别基础之上 必须全面系统地识别所有可能的潜在风险因子 对于没 有识别出来的因子是不能对其进行分析的地铁工程从 勘察 设计到施工和运营 无不与地下水的活动有关 而 且不同阶段风险因子的作用和影响有别 构建风险层次结构模型 工程背景是构建风险层次结构模型的基础上 海地铁 号线南京东路车站为地下三层 主体结构 长 宽 在场地地面以下 深度 范围内 按地层成因 土层结构及工程特性可划分为 层 地层多呈水平层状分布 属滨海平原相古河道 沉积 沿地铁站基坑轴向分布的地层及岩性如图 所示图中 括号内 外数字分别表示地层的标高和 深度受古河道沉积影响 地层埋藏分布与上海市区 正常沉积地层存在差异 其中第层缺失与本工程 设计 施工有关的地下水为赋存于场地浅部土层中 的潜水及深部承压水 场地第层以上为潜水含水 层 水位埋深为 标高为 下部第层分别为第承压含水层 承压 水水位埋深为 标高为 高出基 坑底板 根据上海地区的土体性质及地下水分布规律 结合本工程特点 将地下水风险从勘察 设计 施工 和运营四个方面分成 项指标层次结构分析模型 如图所示 建立层次结构分析模型之后 对每一层次中各因 子相对重要性要由专家分析判断给出但通常人们只 能较为精确地对两个事物的重要性做出比较 而要对 两个以上的事物做出精确的综合判断 就需要通过层 次分析法来构造判断矩阵 通过两两比较来确定各因 子的相对权重为了避免判断失误 对构造的判断矩 阵还需检验其一致性在构建判断矩阵时 假设因子 与比较得到判断 则因子与比较得到判断 权重计算的实质是计算该判断矩 阵的最大特征根及相应的特征向量 即求解满足判断 矩阵的特征根 和特征向量 式中 的分量是对应于单元单排序的权值 将 对应的特征向量归一化后 记 为 为权重向量如果判断矩阵 不具有完全一致性时 则 为了衡量不一致 程度 需要计算它的一致性指标 用表示如下 第 期 周念清 等 基于模糊数学理论探讨评判地铁工程中地下水风险 图 上海地铁 号线南京东路站主体结构工程地质剖面图 单位 图 地铁工程地下水风险层次结构分析模型 通常用随机一致性比率 用表示 来检验 判断矩阵一致性程度 当 时 就认 为判断矩阵的一致性可以被接受其中为平均 随机性指标 它是采用随机抽样的方法得出的随机 一致性指标 具体取值参见表 表 平均随机一致性指标 矩阵阶数 制约层因素中勘察 设计 施工 运营对目标因 素地铁工程地下水风险的总判断矩阵见表 判断矩阵的最大特征值 计算得 一致性比率 矩阵一致性可接受 同 济 大 学 学 报 自 然 科 学 版第 卷 表 总判断矩阵 归一化 子制约层因素对准则层 的判断矩阵见表 表 判断矩阵 归一化 判断矩阵的最大特征值 计算 得到一致性比率 矩阵一致性可以 接受同理 可得到判断矩阵 的最大特征 值 分别为 权重向量分别为 并且 各矩阵都通过了一致性检验 模糊综合评判 定义语言变量 当工程信息不完备的时候 即使是专家也很难 给出精准的评估 而只能给出一个大概的评价在这 种情况下 就需要用到语言变量 其主要功能是用于 提供一种系统化的方法以近似刻画复杂及没有明确 定义现象的特征 如 在评价一个结构时 安全性 是论域 则 很安全 安全 不是很安全 不安全 就 是论域的一个模糊子集 称为评语等级论域 针对南京东路地铁站工程各项指标进行评判 建立 评语集 好 较好 较差 差 确定模糊关系矩阵及隶属度 多层次系统的模糊综合评判是从最低层开始逐 层向上做出多层次综合评判 直至最高的目标层次 得到原问题的综合评判结果这里从影响指标出发 先对制约层各因素进行一级模糊综合评判 再对目 标层因素进行二级模糊综合评判 一级模糊综合评价令隶属度 则第层次的单因素评价矩阵为 得到一级模糊综合评价集 式中 为模糊算子 根据不同情况 选择相应的合 适算法 对于南京东路地铁站工程采用专家调查法来获 取评价矩阵 模糊算子取为两矩阵的点积 即采用加 权平均模糊综合评判模型得到 将评语集中 好 较好 较差 差 分别用分值代 替 进一步可以得到勘察这一因 素的综合评价分值 同理可以得出 勘察在个 因素中分值最低 可见勘察是此工程的薄弱环节 需 要引起重视 二级模糊综合评价二级模糊综合评价 集为 由一级模糊评价集得出 则 同 样 模糊算子取为两矩阵的点积最后得到整个工程 地下水风险综合评价分值 对比各分值对 应的语言变量 可见整个工程总体状况 较好 风险评价 通过对上海地铁 号线南京东路站工程的风 第 期 周念清 等 基于模糊数学理论探讨评判地铁工程中地下水风险 险分析 可以看出工程总体状况较好 但是与设计 施工 运营相比较而言 在勘察这一环节中略有欠 缺而之前的权重分析中得出勘察是仅次于施工的 第二重要环节 因此 如果在施工中发现异常情况 有必要进行补充勘察 地铁工程地下水风险控制 通过建立地铁工程地下水风险评估模型及分 析 可以得到上海地区的地铁地下水风险特点根据 层次分析法得出的各因素权重 在勘察 设计 施工 和运营中 施工阶段 的权重最大 即施工阶段 对于地铁地下水风险的影响最为重大 其次为勘察 阶段 因此对于这两方面要特别引起重视勘察期间 应进行专项水文地质工作 通过各类试验充分了解 含水层特性 并且实行动态设计和施工 地铁工程设 计过程中 尤其要注意对地下水的处理必要时要结 合数值模拟方法 对降水方案进行优化 评价降水井 分布方案的合理性和经济性 施工中地下水的风 险最大 如掉以轻心 不按图施工 或偷工减料 往往 会造成严重的工程事故因此 应严格按照设计方案 和相关规范进行施工 实行严格管理 运营期间则存 在较多的潜在风险因素 如列车长期动荷载造成周 围土体孔隙水压变化从而导致地面沉降等 应建立 完善的地铁监测体系 对地铁周围建筑物及管线沉 降等进行实时监控 并建立合适的应急预案 结论 在上海地区地铁工程地下水风险影响因素 中 施工是为最重要的工程环节 需要给予重视同 时 勘察中的土层划分 设计中的基坑抗突涌验算占 权重较大的部分 都是引起工程事故的主要因素 应 重点予以关注 通过模糊综合评判方法 对信息不完备的 地铁工程地下水风险进行了分析 得出上海地铁 号线南京东路地铁站工程总体安全状况较好 但勘 察是其薄弱环节 容易出现问题尤其是在水文地质 参数的选取方面 有待在今后的工程中引起重视 建 议对类似工程作详细的水文地质勘察 查明含水层 特性 以避免不必要的风险 参考文献 兰守奇 张庆贺基于模糊理论的深基坑施工期风险评估 岩土工程学报 王岩 黄宏伟地铁区间隧道安全评估的层次 模糊综合评判 法地下空间 徐岩 赵文沈阳地铁降水工程风险分析地下空间与工程 学报